다양한 단면 형상을 가지는 마이크로 채널에서 뉴턴 유체와 점탄성 유체의 입자 집중 :Particle Focusing under Newtonian and Viscoelastic Fluid in Straight Microchannel with Various Cross-sections

권주용

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자료유형: 학위논문

저자정보: 권주용 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 조영학

발행연도: 2021

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2021

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다양한 단면 형상을 가지는 마이크로 채널에서 뉴턴 유체와 점탄성 유체의 입자 집중

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2020

점탄성 유체의 마름모 미세채널 내에서의 탄성-관성 입자 집중

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미세 유체 역학은 광범위한 분야에서 여러 응용된 연구가 진행되고 있다. 특히, 미세 유체 채널에서 입자의 거동은 처리 비용이 낮고, 시료 소비가 적으며 높은 효율 및 빠른 처리 능력으로 여러 응용 분야에 널리 적용되어오고 있다. 이러한 미세 유체 채널 내 입자의 거동은 외력을 이용하는 능동적인 방법과 수동적인 방법이 있다. 능동적인 방법은 높은 효율이 있으나 처리 능력이 낮고 비용이 많이 들기 때문에 수동적인 방법이 주로 이용되고 있다. 대표적인 수동적인 방법으로써 뉴턴 유체 내 관성 미세 유체 역학이 광범위하게 연구되고 있다. 하지만 뉴턴 유체에서는 관성력으로 인해 단일 흐름이 아닌 다중 흐름이 관찰될 수 있기 때문에, 최근에는 직선 채널에서 비 뉴턴 유체인 점탄성 유체를 이용하여 우수한 3차원의 입자 집중을 달성할 수 있기 때문에 관심을 받고 있다. 대부분의 마이크로 채널은 마이크로 몰딩 법으로 인해 직사각형이나 정사각형의 채널이 제작되었으나 미세 가공 기술의 발전으로 원형, 반원형, 삼각형 그리고 사다리꼴 등의 제작 방법이 제시되었다. 하지만 이러한 마이크로 채널의 제작은 어렵고 비용이 많이 든다.
따라서, 본 연구에서는 간단한 MEMS 공정인 포토리소그래피, 이방성 습식 식각을 이용하여 평행사변형, 마름모, 오각형 및 육각형의 단면을 갖는 마이크로 채널을 제작하였다. 이러한 다양한 단면을 갖는 마이크로 채널을 통해 뉴턴 유체와 점탄성 유체에서 입자의 거동을 관찰하였다. 실험적인 결과로서, 뉴턴 유체에서는 단면마다 다중의 입자 집중 점이 발생하는 것을 보였다. 또한 점탄성 유체(PEO 0.05 wt%)에서는 유량에 따라서 집중되는 위치가 달랐으며 적절한 유량이 되었을 때, 채널 중심으로 단일의 입자 집중점이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 점탄성 유체 내 나노 입자를 마름모 채널 내에서 실험하였고 채널 중심으로 입자를 집중시킬 수 있었다.

Microfluidics has been studied for several applications in a wide range of fields. In particular, the behavior of particles in microfluidic channels has been widely applied in various applications due to low cost, low sample consumption, high efficiency and high throughput. The behavior of particles in the microfluidic channel includes an active method using an external force and a passive method. Although the active method has high efficiency, the passive method is mainly used because the active method is low throughput and high cost. As a representative passive method, inertial microfluidics in Newtonian fluids have been studied. However, in a Newtonian fluids, multiple linear streams can be observed instead of a single linear stream due to the inertial forces. Recently, it has attracted attention because it can achieve superior 3D particle focusing by using a viscoelastic fluids, in a straight channel. Most of the microchannels have a rectangular or square cross-section fabricated by the micromolding method, but because of the improvement of the microfabrication technology, fabrication methods such as circular, semicircular, triangular, and trapezoidal have been suggested. However, the fabrication of such microchannels is difficult and expensive.
Therefore, in this study, microchannels with cross-sections of parallelogram, rhombus, pentagon and hexagon were fabricated using simple MEMS processes such as photolithography and anisotropic wet etching. The behavior of particles in Newtonian fluids and viscoelastic fluids was observed through microchannels with various cross-sections. As an experimental result, it has been shown that multiple particle focusing points in Newtonian fluids. In addition, in the viscoelastic fluids (PEO 0.05wt%), the particles was observed to focus at three different positions depending on the flow rate, and it was confirmed that a single line particle focusing was observed at the center of the channel when the proper flow rate was reached. In addition, nanoparticles focusing in a viscoelastic fluids were carried out in a rhombic channel, and the nanoparticles could be focused in the center of the microchannel.

#various cross-sections #inertial particle focusing #viscoelastic fluid

1. 서 론 1
2. 이론적 배경 4
2.1 뉴턴 유체에서의 입자 집중 4
2.2 점탄성 유체에서의 입자 집중 9
2.3 나노 입자 분리 11
3. 다양한 단면 형상을 갖는 마이크로 채널 제작 12
3.1 채널 설계 12
3.1.1 평행사변형 채널 설계 12
3.1.2 오각형, 육각형, 마름모 채널 설계 13
3.2 제작 과정 14
3.2.1 포토리소그래피 (photolithography) 공정 14
3.2.2 RIE (reactive ion etching) 공정 14
3.2.3 이방성 습식 식각 (anisotropy wet etching) 공정 15
3.2.4 PDMS 몰드 제작 16
3.2.4.1 실란 (Silane) 코팅 16
3.2.4.2 PDMS 몰딩 16
3.2.4.3 핫 엠보싱 (Hot embossing) 공정 16
3.2.5 O2 플라즈마 본딩 17
3.3 제작 결과 18
4. 뉴턴 유체에서의 입자 집중 20
4.1 Experimental set up 20
4.2 평행사변형, 오각형 채널에서의 관성 입자 집중 20
4.2.1 형광 입자 실험 20
4.2.2 분석 및 고찰 21
4.3 육각형, 마름모 채널에서의 관성 입자 집중 22
4.3.1 형광 입자 실험 22
4.3.2 분석 및 고찰 23
5. 점탄성 유체에서의 입자 집중 26
5.1 Experimental set up 26
5.2 점탄성 유체 내 탄성-관성 집중 현상 26
5.2.1 육각형 채널 형광 입자 실험 26
5.2.2 마름모 채널 형광 입자 실험 28
5.2.3 분석 및 고찰 29
5.3 나노 입자 분리 30
6. 결 론 33
참고문헌 35
영문초록(Abstract) 39
감사의 글 41

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